黃崇祺
(上海電纜研究所,上海 200093)
縱觀世界“以鋁節(jié)銅”的歷史,根據(jù)各國(guó)的國(guó)情、科技的進(jìn)步,各國(guó)有所不同,走走停停甚至出現(xiàn)反復(fù),但總體是漸進(jìn)式向前發(fā)展的,因此“以鋁節(jié)銅”的前景大體上是明朗的。
目前,中國(guó)電纜工業(yè)年產(chǎn)值已突破9000億元大關(guān),成為機(jī)械行業(yè)中僅次于汽車制造業(yè)的第二大產(chǎn)業(yè),同時(shí)也極大帶動(dòng)了銅、鋁等重要原材料產(chǎn)業(yè)和上、下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有十分重要的作用。電線電纜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成就令人矚目,但存在的問(wèn)題,特別是質(zhì)量問(wèn)題不容回避[1]??梢哉f(shuō),當(dāng)前我國(guó)線纜產(chǎn)業(yè)集中體現(xiàn)了“中國(guó)制造”產(chǎn)業(yè)“大而不強(qiáng)”的突出特點(diǎn)。
中國(guó)電纜工業(yè)“以鋁節(jié)銅”的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自以下幾個(gè)方面。
1)行業(yè)年用銅量很大,2011年行業(yè)銅、鋁用量分別已達(dá)484萬(wàn)t(約占全世界銅導(dǎo)體產(chǎn)量的1/3)和220萬(wàn) t,而且歷來(lái)電工用銅都屬高品位的99.95%和99.99%銅。但我國(guó)銅礦藏缺乏,且目前回收廢雜銅亦不多,要依靠進(jìn)口。
2)世界性銅價(jià)飛漲壓縮了線纜產(chǎn)品利潤(rùn)空間。
3)經(jīng)試用證明,確有取得良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的鋁線纜產(chǎn)品。
導(dǎo)體“以鋁節(jié)銅”的含義是指該用銅的線纜產(chǎn)品就用銅,對(duì)可用銅或鋁作導(dǎo)體的產(chǎn)品,需經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn),實(shí)際試用成功的產(chǎn)品,才得以推廣應(yīng)用,反對(duì)盲目推行,致使產(chǎn)品質(zhì)量下降,生產(chǎn)大起大落。電纜行業(yè)的節(jié)銅除用鋁、鋁合金、復(fù)合金屬外,還涉及非金屬的光導(dǎo)纖維代銅;用廢雜銅直接再生代電解精銅制桿;用碳纖維復(fù)合高分子材料代加強(qiáng)材料——鍍鋅鋼線制造的架空輸電用特種導(dǎo)線已完成制標(biāo),產(chǎn)品已在試用之中。2011年中國(guó)金屬導(dǎo)體“以鋁節(jié)銅”進(jìn)展的不完全統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。
2011年電力電纜用銅約為150萬(wàn)~160萬(wàn)t,占行業(yè)銅導(dǎo)體總用量的31%以上。我國(guó)20世紀(jì)60~70年代,在“以鋁代銅”方針的指引下,一度鋁芯電力電纜的使用比例達(dá)40%左右,當(dāng)時(shí)為了推廣使用鋁芯電力電纜,對(duì)電纜的連接也做了一些研究和推廣應(yīng)用工作。20世紀(jì)80年代改革開(kāi)放以后,鋁芯電力電纜的使用比例大幅下降,至目前可能10%都不到,其原因有以下幾個(gè)方面。
表1 2011年中國(guó)金屬導(dǎo)體“以鋁節(jié)銅”進(jìn)展的不完全統(tǒng)計(jì)(按電線電纜產(chǎn)品類別分)Table 1 Incomplete statistic of copper and aluminum as conductors in China in 2011(sorted by wire and cable product)
1)銅儲(chǔ)備足夠。有進(jìn)口銅,價(jià)格貴一些,但電力部門可以承受,換來(lái)的是安全可靠、施工方便。
2)從安全可靠的角度出發(fā),使用鋁芯力纜的關(guān)鍵點(diǎn)是接頭技術(shù)及其使用的可靠性。目前,國(guó)內(nèi)外鋁芯力纜的連接有氬弧焊、冷壓焊、螺釘(栓)壓緊3種方法,且積累了一些經(jīng)驗(yàn)。
3)在城市中,特別是大城市,由于地下敷設(shè)空間有限而不用鋁力纜。國(guó)內(nèi)有些省份設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)曾發(fā)出指令,35 kV以下才可以使用鋁力纜。
一度有的電纜廠,從經(jīng)濟(jì)利益出發(fā)自訂企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推行銅包鋁(線)電力電纜。此種力纜目前既無(wú)國(guó)標(biāo),亦無(wú)行標(biāo),只有少數(shù)企業(yè)的企標(biāo)產(chǎn)品,質(zhì)量如何?答案是誰(shuí)制造的,誰(shuí)負(fù)責(zé)。歸根結(jié)底在力纜上目前推廣困難的原因有二:銅包鋁線制造水平低,質(zhì)量堪憂;銅包鋁力纜和鋁力纜是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,用戶往往寧愿使用更價(jià)廉、一樣適合使用的鋁力纜而不用銅包鋁力纜。
作鋁力纜芯線用的導(dǎo)線,除鋁線外,電工用退火和中間熱處理的8000系鋁合金線早已在北美洲應(yīng)用,現(xiàn)在也在中國(guó)推廣應(yīng)用;具有高導(dǎo)電率、受控抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的鋁合金導(dǎo)線已在日本開(kāi)發(fā)成功。
國(guó)外對(duì)鋁力纜的應(yīng)用已涉及低壓、中壓和高壓各個(gè)等級(jí),實(shí)芯鋁電纜早已大量應(yīng)用,鋁電纜的連接和安裝問(wèn)題都已解決。要求很高的海底實(shí)芯鋁電纜,其最大鋁截面已達(dá)1600 mm2。國(guó)外鋁芯電纜的用量百分?jǐn)?shù)已達(dá)兩位,而國(guó)內(nèi)目前最多在10%左右,因此我國(guó)鋁芯力纜的擴(kuò)大應(yīng)用尚留有相當(dāng)?shù)目臻g。
飛機(jī)上的裝備用線纜的“以鋁節(jié)銅”已取得實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用,正在推廣之中,已走在我國(guó)的“以鋁節(jié)銅”發(fā)展的前列。
每架飛機(jī)需用許多電氣裝備用線纜[7],如一架波音或空中客車的長(zhǎng)程飛機(jī)要用超過(guò)250 km的航空導(dǎo)線,或毛重為2.5 t的導(dǎo)體,為了連接要用超過(guò)1萬(wàn)個(gè)連接器;一架短程噴氣機(jī)要用70 km的航空導(dǎo)線,而一架小型直升機(jī)需用30 km的航空導(dǎo)線。一架A380飛機(jī)需用超過(guò)500 km的各種電線電纜,如單根電話線、多芯電纜、高溫電纜、同軸電纜、數(shù)據(jù)傳輸電纜和特殊結(jié)構(gòu)的光纖電纜。它們都分布在飛機(jī)的不同部位,從機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙,通過(guò)復(fù)雜的控制設(shè)備——內(nèi)部的通信系統(tǒng)連接。為了減輕重量、節(jié)約能源和節(jié)省空間,已采用了鋁芯電纜和薄壁電纜。由于對(duì)鋁線的連接接觸需要防水,不能敞開(kāi),且要便于識(shí)別、方便維護(hù),已開(kāi)發(fā)成功了與之相配套的用于鋁線的激光預(yù)標(biāo)志新方法[8],并推廣應(yīng)用于各種飛機(jī)。這種技術(shù)和裝備亦適用于汽車中對(duì)鋁線連接的預(yù)標(biāo)志。
繞組線主要用于電磁線圈、變壓器和電動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域。2011年,繞組線用銅已達(dá)120萬(wàn)t,隨著國(guó)產(chǎn)家電有50%出口美、歐、日等國(guó),帶出了相當(dāng)數(shù)量的銅線。一般電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命為20年,不考慮用鋁線;變壓器行業(yè)是用銅大戶,目前用銅已達(dá)40萬(wàn)t左右,特別10 kVA以上的變壓器一般不用鋁線。近些年來(lái),繞組線用鋁和銅包鋁線有所增長(zhǎng),主要用于微波爐變壓器、洗衣機(jī)電動(dòng)機(jī)、電扇電動(dòng)機(jī)、冰箱壓縮機(jī),特別是電子變壓器有著廣泛的使用領(lǐng)域,如中頻、音頻、脈沖、電源、片式等多種變壓器。中國(guó)電子變壓器生產(chǎn)量占世界總量的20%以上,其中60%用于供應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)。曾用鋁漆包線生產(chǎn)微波爐用高溫變壓器獲得成功和好評(píng),給我國(guó)電子變壓器生產(chǎn)指出了一個(gè)光明的前途。由此“銅改鋁”已具不可逆性,深信在新技術(shù)、新材料、新工藝的推動(dòng)下,電子變壓器行業(yè)的“銅改鋁”將迎來(lái)新的春天。
通信領(lǐng)域的電纜市場(chǎng)“光進(jìn)銅退”和“以鋁節(jié)銅”趨勢(shì)凸顯[2]。約用了15年的時(shí)間(1995—2010年),通信領(lǐng)域用銅量由占行業(yè)總用銅量的9%,降到了目前的4.5%(20萬(wàn)t),并將繼續(xù)下降?!肮膺M(jìn)銅退”意味著光纖逐步向用戶端延伸,最終實(shí)現(xiàn)光纖到戶和光纖到桌面;銅線纜逐步向用戶端退縮,并最終退網(wǎng)?,F(xiàn)在除核心網(wǎng)、城域網(wǎng)尚留有少量銅線纜外,接入網(wǎng)還有70%的銅線纜將被光纖代替(并且已開(kāi)始進(jìn)入個(gè)域網(wǎng)、片域網(wǎng))。目前我國(guó)接入網(wǎng)用電纜有5億線對(duì)公里(年降2.2%),而光纜只有0.5億纖芯公里。個(gè)域網(wǎng)線纜組件(電子消費(fèi)類產(chǎn)品)是個(gè)大市場(chǎng)(現(xiàn)全部用銅),2010年我國(guó)電子線纜市場(chǎng)為370.8億元(其中一半為汽車線束),預(yù)計(jì)到2015年將達(dá)到750億元。移動(dòng)網(wǎng)用的射頻銅電纜,用鋁電纜代替不僅可以降低成本,而且在安裝、重量、減少能耗等方面也有顯著優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上,從全球規(guī)模商業(yè)的情況看,鋁電纜已成為一種可顯著減少固定資產(chǎn)投資、可代替銅電纜的方案。
2.5.1 電工用鋁和鋁合金
我國(guó)2011年電工用鋁和鋁合金的總用量已達(dá)220萬(wàn)t,使用比例如表2、表3所示。
表2 2011年中國(guó)金屬裸導(dǎo)體總用量的不完全統(tǒng)計(jì)(按導(dǎo)體材料類別分)Table 2 Incomplete statistic of metallic conductors in China in 2011(sorted by conductor materials)
表3 2011年電工用鋁和鋁合金使用比例Table 3 Proportion of aluminum and aluminum alloy as electrical conductors in 2011
由表2、表3可看出,電工用鋁主要用于架空輸電、配電線路用的架空導(dǎo)線[3,4];電工用鋁合金在架空導(dǎo)線和電力電纜上的用量還很低,更不能和國(guó)外兩位數(shù)的使用百分?jǐn)?shù)相比。隨著電力事業(yè)的發(fā)展,這兩個(gè)領(lǐng)域的用量尚有較大的提升空間,特別是鋁合金。
長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)電工用鋁合金的用量沒(méi)有增長(zhǎng)有兩個(gè)原因:需方的需求遲后;供方的質(zhì)量不穩(wěn)定,導(dǎo)致成品率低、價(jià)格高。產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定直接與裝備、工藝、監(jiān)控、管理落后有關(guān),這是今后應(yīng)該努力的方向。
2.5.2 復(fù)合雙金屬
復(fù)合雙金屬是另一類“以鋁節(jié)銅”的導(dǎo)體,我國(guó)2011年復(fù)合雙金屬的總用量已達(dá)25.3萬(wàn)t。它們的使用比例如表4所示。
表4 2011年復(fù)合雙金屬使用比例Table 4 Proportion of composite metallic conductors in 2011
1)銅包鋁線。銅包鋁線主要在通信線纜(弱電)上使用,2011年和前些年相比已有所增加,在漆包線上應(yīng)用也略有小增,但在電力類(強(qiáng)電)線纜上的應(yīng)用看不到有多少突破。國(guó)外銅包鋁線的開(kāi)發(fā)比我國(guó)早很多,設(shè)備也先進(jìn),但實(shí)際應(yīng)用情況同樣也沒(méi)有突顯佳績(jī),也多半在弱電上應(yīng)用。銅包鋁線的質(zhì)量?jī)?yōu)劣,從根本上取決于銅、鋁冶金結(jié)合的優(yōu)劣。我國(guó)銅包鋁線生產(chǎn)的質(zhì)量問(wèn)題,主要在于包覆生產(chǎn)線和原材料鋁合金桿生產(chǎn)的落后,此外,后續(xù)拉線工藝和裝備也沒(méi)有及時(shí)跟進(jìn)。由此拉出的銅包鋁線斷頭率高、表面露鋁(脫皮),在使用中產(chǎn)生加速的電化腐蝕而斷線,致使線纜產(chǎn)品使用壽命大減。這種不求技術(shù)改進(jìn)、只求低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)的局面必須盡快結(jié)束。
為了規(guī)范市場(chǎng),對(duì)主要用于屏蔽、通信電纜的音頻和視頻線的“銅包鋁鎂合金線”的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在制訂之中。
2)銅包鋁排(母線)。銅包鋁排在國(guó)外用流體靜力擠壓法早在幾十年前就已開(kāi)發(fā),其目的是在開(kāi)關(guān)和絕緣母線槽中推廣應(yīng)用,但沒(méi)有獲得突破性的應(yīng)用。近些年來(lái),我國(guó)對(duì)銅包鋁排的開(kāi)發(fā)有3種方法,包括銅管鑄鋁成錠—熱軋成型法,銅、鋁冷配合成錠—熱軋成型法,銅鋁冷配合—冷壓—拉制法。銅包鋁排質(zhì)量的優(yōu)劣和產(chǎn)品成品率、成本、利潤(rùn)和銅包鋁線一樣取決于銅、鋁的冶金結(jié)合。因此,這些方法在工藝、裝備的完善,生產(chǎn)效率、成材率和利潤(rùn)率上尚有提升的空間。上述3種方法2011年的產(chǎn)量約0.3萬(wàn)t。為了規(guī)范市場(chǎng),有關(guān)“電工用銅包鋁母線”的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)制訂和上報(bào)完畢,待審批發(fā)布,主要技術(shù)指標(biāo)如表5所示。
表5 銅包鋁母線主要技術(shù)要求Table 5 Main requirement of copper clad aluminum bus bars
銅包鋁排的主要應(yīng)用之一是絕緣母線槽,在此它的競(jìng)爭(zhēng)者是鋁母排(線)。絕緣鋁母線槽在國(guó)外早已應(yīng)用,在國(guó)內(nèi)由國(guó)外進(jìn)口的絕緣鋁母線槽在大賓館中亦有應(yīng)用,但目前反而不使用國(guó)產(chǎn)的絕緣鋁母線槽。
銅包鋁排和銅包鋁線還有一個(gè)同樣的問(wèn)題需要解決,就是廢舊銅包鋁制品的銅、鋁分離回收問(wèn)題,至今還沒(méi)有找到具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效果的方法,如果銅包鋁大量應(yīng)用,為了節(jié)材,不影響材料再利用,這個(gè)問(wèn)題是必須解決的。
3)鋁包鋼線。近些年來(lái),隨著超高壓架空線路,特別是光纖復(fù)合架空地線和高強(qiáng)度大跨越導(dǎo)線的發(fā)展,鋁包鋼線的市場(chǎng)旺盛,前景看好。目前鋁包鋼生產(chǎn)線已有41條,2011年產(chǎn)量達(dá)11萬(wàn)t,單機(jī)生產(chǎn)線年產(chǎn)量已達(dá)4000~4800 t,說(shuō)明其生產(chǎn)操作已日趨成熟。
4)銅包鋼線。2011年全國(guó)總產(chǎn)量在3.0萬(wàn)t左右,目前主要應(yīng)用于弱電場(chǎng)合,如CATV線、廣電線、芯片骨架線、汽車用線等。今后隨著電站接地網(wǎng)、線路避雷線等的改造和應(yīng)用,在其領(lǐng)域也有它的應(yīng)用前景。
5)鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌。在軌道交通中用鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌代替普通鋼軌對(duì)電力機(jī)車第三軌移動(dòng)供電。導(dǎo)電軌由工字形導(dǎo)電鋁合金本體和槽形不銹鋼接觸帶復(fù)合而成。它的優(yōu)點(diǎn)在于導(dǎo)電性好,可節(jié)省運(yùn)行用電30%,不用額外沿線敷設(shè)饋電電纜,并可將牽引供電站的設(shè)置距離提高2.5倍以上,總投資可降低20%左右;重量輕;以不銹鋼作滑動(dòng)接觸面磨耗低,壽命可達(dá)60年;可靠性比柔性懸掛接觸網(wǎng)高兩個(gè)數(shù)量級(jí),故障率低,保養(yǎng)簡(jiǎn)單,維修方便。
6)膜包矩形絞和組合膜包矩形絞鋁繞組線。它的特點(diǎn)是可節(jié)銅、重量輕、價(jià)廉、繞組線中的股線電阻均勻、渦流損耗低,可在超高壓和特高壓直流輸電的干式平波電抗器中應(yīng)用。近些年來(lái),我國(guó)通過(guò)自主研究設(shè)計(jì)和試制已成功開(kāi)發(fā)出了用該種鋁繞組線制造的線圈和電抗器。經(jīng)驗(yàn)證,該種鋁繞組線已達(dá)到了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的要求。目前這種電抗器已進(jìn)入在線路上實(shí)際試用的階段。以正在開(kāi)始實(shí)施的溪洛渡和糯扎渡兩條線路為例,需44臺(tái)這種干式平波電抗器,每臺(tái)電抗器需用40多噸鋁繞組線,總計(jì)需1760~2000 t。隨著我國(guó)輸電事業(yè)的發(fā)展,這種繞組線將展現(xiàn)出美好的前景。
電纜工業(yè)歷來(lái)使用99.95%和99.99%品位的電解精銅以及99.7E或99.7(經(jīng)稀土優(yōu)化綜合處理的達(dá)電工級(jí)別的)重熔用鋁。廢雜銅和廢電工用鋁保級(jí)再生利用,是與“以鋁節(jié)銅”相應(yīng)的重要方面,它們對(duì)節(jié)能、環(huán)保、城市礦產(chǎn)廢物資源化起著重要的作用。
要解決廢雜銅直接再生制桿利用嚴(yán)重的全國(guó)性質(zhì)量問(wèn)題,加快淘汰落后國(guó)外20~30年的舊裝備、舊工藝乃是必經(jīng)之路。任務(wù)艱巨,任重而道遠(yuǎn),但前途光明燦爛。優(yōu)質(zhì)再生銅桿可“名正言順”地進(jìn)入電纜市場(chǎng)。
為了規(guī)范市場(chǎng),“電工用火法精煉再生銅線坯”的有色金屬行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)報(bào)批,并即將由中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部發(fā)布。這種優(yōu)質(zhì)再生銅桿的主要技術(shù)指標(biāo)如表6、表7所示。
表6 TH1、TH2、TH3牌號(hào)銅線坯的化學(xué)成分Table 6 Chemical composition of TH1,TH2 and TH3 copper drawing stock
表7 TH1、TH2、TH3牌號(hào)銅線坯的機(jī)電性能Table 7 Mechanical and electrical properties of TH1,TH2 and TH3 copper drawing stock
隨著老的架空線路和農(nóng)網(wǎng)的改造[6]以及廢舊鋁芯電線電纜的替換,就會(huì)產(chǎn)生大量電工用廢鋁。生產(chǎn)再生鋁的能耗僅為原生鋁的5%,是一項(xiàng)獲得低污染資源、大幅節(jié)能的重要措施。符合質(zhì)量要求的再生電工鋁桿與用原生鋁生產(chǎn)的電工鋁桿相比,在使用中幾乎具有同樣的效果,這點(diǎn)與再生電工用銅桿是不同的。
電工用廢鋁是比較好的鋁,應(yīng)該保級(jí)利用才能收到較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。所謂保級(jí)指的是鋁的純度(99.7%鋁)和質(zhì)量(達(dá)電工鋁桿的技術(shù)指標(biāo),符合可軋性、可拉性、可退火性和表面質(zhì)量的要求)。為此,廢電工用鋁原料必須經(jīng)預(yù)處理,再熔過(guò)程亦必須仔細(xì)處理。廢鋁表面往往有油污,從而精煉除氣必須加強(qiáng),否則影響可軋性和可拉性。為了保證導(dǎo)電率,雜質(zhì)元素必須要有針對(duì)性分別處理。導(dǎo)電率和抗拉強(qiáng)度是互相矛盾的,因此也必須要有針對(duì)性地處理。
1)“以鋁節(jié)銅”是國(guó)際性的趨向,勢(shì)不可當(dāng),其進(jìn)程據(jù)各國(guó)的實(shí)際情況有所不同,但只能隨著科技的發(fā)展、人們習(xí)慣勢(shì)力的改變而漸進(jìn)式地發(fā)展。
2)“以鋁節(jié)銅”和“光進(jìn)銅退”還會(huì)繼續(xù)推進(jìn)。
3)全國(guó)應(yīng)盡快建立廢舊銅、鋁的回收網(wǎng)絡(luò),以解決或緩解銅、鋁再生工業(yè)的無(wú)米之炊。
[1] 中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)電線電纜分會(huì),上海電纜研究所.全國(guó)電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量提升工作會(huì)議[C] .上海:電纜行業(yè)通訊,2011.
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